西工大材料科學(xué)基礎(chǔ)課件-凝固

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第三章

凝固熔化2

第三章

凝固

煉鋼澆注煉銅4h3

第三章

凝固凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。

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第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律1.結(jié)晶過程（微觀現(xiàn)象）（1）結(jié)晶的基本過程：形核－長大。（見示意圖）（2）描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個(gè)參數(shù)形核率：單位時(shí)間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間內(nèi)遷移的距離。用G表示。5

第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律2.（純金屬）結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象（1）過冷supercooling液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（2）過冷度液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm)與其實(shí)際溫度之差。

△T=Tm-T(見冷卻曲線)

注：過冷是凝固的必要條件(凝固過程總是在一定的過冷度下進(jìn)行)。

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第二節(jié)

材料結(jié)晶的基本條件

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1熱力學(xué)條件（1）G-T曲線（圖3－4）a是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。b是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。c液相曲線斜率大于固相：

由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。

二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。7

第二節(jié)

材料結(jié)晶的基本條件

1熱力學(xué)條件（2）熱力學(xué)條件

a△T>0,△GB<0過冷是結(jié)晶的必要

條件（之一）。b△T越大,△GB越小過冷度越大，越有利于結(jié)晶。c△GB的絕對(duì)值為凝固過程的驅(qū)動(dòng)力。8

第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律2.結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件（晶核從何而來？）（1）液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)：長程無序而短程有序。（2）特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。9

第二節(jié)

材料結(jié)晶的基本條件

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2結(jié)構(gòu)條件（3）液態(tài)結(jié)構(gòu)模型

微晶無序模型（圖3-5a）

拓?fù)錈o序模型

（圖3-5b,c）

（4）結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。出現(xiàn)幾率結(jié)構(gòu)起伏大小結(jié)構(gòu)起伏的大小與溫度有關(guān)?。▓D3-7）10

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個(gè)體積內(nèi)無軌則均勻形成。非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。

1均勻形核

（1）晶胚形成時(shí)的能量變化

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第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核

〔2〕臨界晶核臨界晶核：半徑為rk的晶胚。

（3〕

臨界過冷度

臨界過冷度：形成臨界晶核時(shí)的過冷度。

△T≥△Tk是結(jié)晶的必要條件。12

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核

（4）形核功與能量起伏臨界形核功：形成臨界晶核時(shí)需額外對(duì)形核所做的功。能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。（是結(jié)晶的必要條件之三）。

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第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核

（5）形核率與過冷度的關(guān)系

由于N受N1、N2兩個(gè)因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。2h14

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核

（1）模型：外來物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。

（2）自由能變化：表達(dá)式與均勻形核類似。15

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核

（3）臨界形核功

計(jì)算時(shí)利用球冠體積、表面積表達(dá)式，結(jié)合表面張力之間的平衡關(guān)系計(jì)算能量變化和臨界形核功。

aθ=0時(shí)，，雜質(zhì)本身即為晶核；b180>θ>0時(shí),,雜質(zhì)促進(jìn)形核；cθ=180時(shí)，，

雜質(zhì)不起作用。16

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核

（4）影響非均勻形核的因素a過冷度：（N-△T曲線有一下降過程）。（圖3－16）b外來物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)：θ越小越有利。點(diǎn)陣匹配原理：結(jié)構(gòu)相似，

點(diǎn)陣常數(shù)相近。c外來物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）17